- Oggetto:
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CHIMICA FISICA II - Corso B (cognomi L-Z)
- Oggetto:
PHYSICAL CHEMISTRY II
- Oggetto:
Anno accademico 2024/2025
- Codice attività didattica
- MFN1167
- Docenti
- Bartolomeo Civalleri (Titolare)
Elena Clara Groppo (Titolare) - Corso di studio
- Chimica e Tecnologie Chimiche
- Anno
- 2° anno
- Periodo
- Primo periodo
- Tipologia
- Caratterizzante
- Crediti/Valenza
- 8
- SSD attività didattica
- CHIM/02 - chimica fisica
- Erogazione
- Tradizionale
- Lingua
- Italiano
- Frequenza
- Facoltativa
- Tipologia esame
- Scritto
- Prerequisiti
-
Matematiche, in particolare algebra lineare ed analisi; fisica (meccanica in particolare) ed elettromagnetismoMathematics, and in particularl linear algebra and analysis; physics (mechanics in particular) and electromagnetism.
- Propedeutico a
-
tutti i corsi che abbiano un qualche riferimento alla struttura elettronica di atomi, molecole e solidi e alle spettroscopie.all courses that have some kind of reference to the electronic structure of atoms, molecules and solids, and to spectroscopy.
- Oggetto:
Sommario insegnamento
- Oggetto:
Obiettivi formativi
Fornire gli strumenti formali e concettuali per la comprensione della complessità chimica, apertura verso l'approccio quantomeccanico alla chimica
Provide formal and conceptual tools for understanding the chemical complexity; opening to a quantum-mechanical approach to chemistry.
- Oggetto:
Risultati dell'apprendimento attesi
Gli studenti dovranno acquisire le seguenti capacità (dettaglio secondo i descrittori di Dublino):
A: CONOSCENZA E CAPACITA’ DI COMPRENSIONE
- conoscenza dei principi della meccanica quantistica per la descrizione delle proprietà elettroniche di atomi e molecole;
- conoscenza delle spettroscopie vibrazionali ed elettroniche e dei relativi principi teorici
B: CAPACITA’ DI APPLICARE CONOSCENZA E COMPRENSIONE
- capacità di risolvere esercizi inerenti la struttura elettronica e le proprietà vibrazionali di atomi e molecole
- capacità di interpretare i dati derivanti da osservazioni sperimentali in un quadro teorico appropriato
C: AUTONOMIA DI GIUDIZIO
- Valutare criticamente i risultati di calcoli ed esperimenti e determinare l'accettabilità degli stessi in base alle conoscenze chimico-fisiche acquisite
D: ABILITA' COMUNICATIVE
- padronanza nell’impiego del lessico specialistico della chimica-fisica e capacità di esporre con efficacia e linearità i concetti chiave dell'insegnamento
Students must acquire the competences listed below, detailed following the Dublin descriptors:
A: KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
-
knowledge of the principles of quantum mechanics for the description of the electronic properties of atoms and molecules
-
knowledge of vibrational and electronic spectroscopy and related theoretical principles
B: APPLYING KNOWLEDGE AND UNDERSTANDING
-
ability to solve exercises concerning the electronic structure and vibrational properties of atoms and molecules
-
ability to interpret data deriving from experimental observations in an appropriate theoretical framework
C: MAKING JUDGEMENT
-
Critically evaluate the results of calculations and experiments and determine their acceptability based on the acquired physico-chemical knowledge
D: COMMUNICATION SKILLS
-
mastery in the use of the specialized lexicon of physical chemistry and ability to effectively and linearly explain the key concepts of teaching
- Oggetto:
Programma
- Richiami di matematica e di algebra lineare.
- Teoria dei Gruppi. Elementi e operazioni di simmetria, ordine di un gruppo. Classi. Tavola di moltiplicazione. Basi e rappresentazioni. Tavole dei caratteri e loro interpretazione vettoriale. Rappresentazioni Riducibili (RR) e loro scomposizione. Simmetria dei moti di traslazione, rotazione e vibrazione delle molecole. Attività vibrazionale IR e Raman.
- Introduzione alla meccanica quantistica (MQ). L’inadeguatezza della meccanica classica a scala atomica: corpo nero; effetto fotoelettrico; diffrazione di elettroni e dualismo onde/particelle; spettri atomici di emissione. Lo spettro dell’atomo di idrogeno. Il principio di indeterminazione di Heisenberg.
- L’equazione d’onda quantistica e l’equazione di Schröedinger (EdS). L’EdS come problema agli autovalori. Postulati della meccanica quantistica e loro significato. Funzione d’onda e probabilità. Requisiti della funzione d’onda.
- La MQ applicata a sistemi semplici: (a) particella nella scatola (mono- e tri-dimensionale); (b) l'oscillatore armonico (e le vibrazioni delle molecole); (c) ilrotatore rigido.
- I metodi approssimati e la teoria delle perturbazioni. Esempi per oscillatore anarmonico e gli atomi di H e di He. Il metodo variazionale (lineare e non): nessi con l’algebra lineare e con l’uso del calcolatore. Il metodo LCAO e la molecola di H2.
- Struttura atomica. L’atomo di idrogeno (trattazione breve): EdS; separazione delle variabili; soluzione esplicita della parte in φ. Autovalori e autovettori, degenerazione e rappresentazione grafica. Nodi e superfici nodali. Orbitali atomici (AO). Momento angolare e nesso con il rotatore rigido. Significato dei numeri quantici l e m. Lo Spin. Schema dei livelli e spettroscopia dell’atomo di H. La rappresentazione delle funzioni d’onda. Atomi polielettronici: aufbau e costruzione del sistema periodico. Configurazioni, stati e simboli di termine. Il principio di antisimmetria e il determinante di Slater.
- La molecola H2+. Impostazione dell’EdS e approssimazione di Born-Oppenheimer. Il metodo LCAO e gli orbitali molecolari dell'H2+.
- Semplici molecole biatomiche omo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) ed etero-nucleari (CO, HF ed NaCl). Ibridazione: metano, etilene ed acetilene. Il metodo di Hückel. Sistemi coniugati e delocalizzazione elettronica. Molecole aromatiche: il benzene.
- L’interazione materia-radiazione. Cenni sulla teoria delle perturbazioni dipendenti dal tempo. Spettroscopie di interazione campo-dipolo e magnetiche. Probabilità di assorbimento ed emissione e coefficienti di Einstein. Cenni sui LASER. Lo studio sperimentale dell’interazione materia-radiazione. Lo spettro elettromagnetico e le principali tecniche spettroscopiche.
- Spettri rotazionali di molecole biatomiche. Numero, disposizione ed intensità delle bande. Effetto di T (distribuzione di Boltzman).
- Spettri vibrazionali: approfondimenti sulla base dei modelli sviluppati nella prima parte. Introduzione alla spettroscopia Raman.
- Spettri elettronici. Principio di Franck-Condon e struttura vibronica. Cromofori. Fluorescenza e fosforescenza.
The course provides an introduction to the atomic and molecular quantum theories. It covers the fundamentals of quantum mechanics with its postulates and theorems. We illustrate the reference models (the free particle, the molecule that rotates or vibrates, the hydrogen atom) and techniques (variational method and perturbation theory, group theory). The electronic structure of the molecules (with references to the atomic states and the condensed state) and the information that can be drawn from the rotational and vibrational spectroscopy are the primary focus of the course. The full program is as follows:
- Notes on mathematics and linear algebra.
- Group Theory. Symmetry elements and operations, order of a group. Classes. Multiplication table. Bases and representations. Character tables and their vector interpretation. Reducible Representations (RR) and their decomposition. Symmetry of the translation, rotation and vibration motions of molecules. IR and Raman vibrational activity.
- Introduction to quantum mechanics (QM). The inadequacy of classical mechanics at the atomic scale: black body; photoelectric effect; electron diffraction and wave/particle dualism; atomic emission spectra. The spectrum of the hydrogen atom. Heisenberg's uncertainty principle.
- The quantum wave equation and the Schröedinger equation (EdS). EdS as an eigenvalue problem. Postulates of quantum mechanics and their meaning. Wavefunction and probability. Wavefunction requirements.
- QM applied to simple systems: (a) particle in the box (one- and three-dimensional); (b) the harmonic oscillator (and the vibrations of the molecules); (c) the rigid rotator.
- Approximate methods and perturbation theory. Examples for anharmonic oscillator and H and He atoms. The variational method (linear and non-linear): connections with linear algebra and the use of the calculator. The LCAO method and the H2 molecule.
- Atomic structure. The hydrogen atom (short discussion): EdS; separation of variables; explicit solution of the part in φ. Eigenvalues and eigenvectors, degeneracy and graphical representation. Nodes and nodal surfaces. Atomic orbitals (AO). Angular momentum and connection with the rigid rotator. Meaning of the quantum numbers l and m. The Spin. Level scheme and spectroscopy of the H atom. Representation of wave functions. Polyelectronic atoms: aufbau and construction of the periodic system. Configurations, states and termination symbols. The antisymmetry principle and the Slater determinant.
- The H2+ molecule. Setting the EdS and Born-Oppenheimer approximation. The LCAO method and the molecular orbitals of H2+.
- Simple diatomic homo- (H2, Li2, B2, C2, N2, O2, F2) and hetero-nuclear (CO, HF and NaCl) molecules. Hybridization: methane, ethylene and acetylene. Hückel's method. Conjugated systems and electronic delocalization. Aromatic molecules: benzene.
- The matter-radiation interaction. Notes on the theory of time-dependent perturbations. Field-dipole interaction and magnetic spectroscopies. Absorption and emission probabilities and Einstein coefficients. Notes on LASERS. The experimental study of matter-radiation interaction. The electromagnetic spectrum and the main spectroscopic techniques.
- Rotational spectra of diatomic molecules. Number, arrangement and intensity of the bands. Effect of T (Boltzman distribution).
- Vibrational spectra: insights based on the models developed in the first part. Introduction to Raman spectroscopy.
- Electronic spectra. Franck-Condon principle and vibronic structure. Chromophores. Fluorescence and phosphorescence
- Oggetto:
Modalità di insegnamento
Lezioni frontali alla lavagna con proiezione di diapositive di supporto. Nel corso delle lezioni verranno svolti semplici esercizi simili a quelli proposti in fase d'esame, allo scopo di addestrare gli studenti all'utilizzo delle conoscenze teoriche per risolvere quesiti di natura chimico-fisica.
Frontal lectures with the use of the blackboard and projection of support slides. During the lessons, simple exercises similar to those proposed in the exam will be carried out, with the aim of training students to use theoretical knowledge to solve questions of a chemical-physical nature.
- Oggetto:
Modalità di verifica dell'apprendimento
La prova d’esame intende verificare le conoscenze di base acquisite dallo studente sui principi e sui metodi della meccanica quantistica e le capacità (incluse quelle di ragionamento critico) nell’applicarle alla descrizione della struttura (configurazione elettronica, legami, geometria, ecc.) e delle proprietà chimico-fisiche (stabilità, proprietà elettriche, proprietà chimiche, spettroscopia, ecc.) di atomi e molecole.
L’esame consiste in una prova scritta strutturata in una serie di domande a risposta aperta e di esercizi numerici sugli argomenti dell’insegnamento. Ad ogni domanda e/o esercizio viene attribuito un punteggio parziale (in trentesimi) che tiene conto della sua specifica difficoltà, sia in termini di conoscenze richieste che di tempo necessario per la risposta. Il voto finale è dato dalla somma dei punteggi parziali, fino ad un massimo di 30/30 e Lode. Il tempo della prova è tipicamente di 2 ore e mezza.
Qualora il voto finale risulti essere prossimo alla sufficienza verrà richiesto di integrare lo scritto con un breve esame orale sugli argomenti risultati più critici in modo da raggiungere eventualmente la sufficienza. L'integrazione orale potrà essere richiesta dal docente anche in quei casi in cui l'esame scritto sia sufficiente ma evidenzi gravi lacune in alcune parti del programma. Infine, qualunque studente volesse migliorare il voto dello scritto ha facoltà di richiedere l'integrazione orale. Qualora l'esame orale non risulti sufficiente, dovrà essere ripetuto anche lo scritto.
The exam test aims at verifying the basic knowledge acquired by the student on the principles and methods of quantum mechanics and the capabilities (including critical reasoning) in applying it to the description of the structure (electronic configuration, bonds, geometry, etc.) and of the chemical-physical properties (stability, electrical properties, chemical properties, spectroscopy, etc.) of atoms and molecules.
The exam consists of written test structured in a series of open questions and numerical exercises on the teaching topics. To each question and/or exercise a partial score is assigned (in fractions of 30) that takes into account the specific difficulty, in terms of both the required knowledge and the time needed for response. The final vote is obtained by the sum of the partial scores, up to a maximum of 30/30 and Lode. The duration of the exam is typically set at 2 hours and a half.If the final grade is close to passing, a brief oral exam on the most critical topics will be required Professors in cases where the written exam is sufficient but shows significant gaps in some parts of the program. Finally, any student wishing to improve their written exam grade may request the oral supplement. If the oral exam is not sufficient, the written exam must also be repeated.
- Oggetto:
Attività di supporto
Eventuali esercitazioni al di fuori dell'orario ufficiale su espressa richiesta degli studenti.
Exercises outside the official timetable on students request.Testi consigliati e bibliografia
- Oggetto:
- Libro
- Titolo:
- Chimica Fisica
- Anno pubblicazione:
- 2020
- Editore:
- Zanichelli
- Autore:
- P. Atkins & J. De Paula
- Obbligatorio:
- No
- Oggetto:
Testi di riferimento:
P. Atkins & J. De Paula, Chimica Fisica, Zanichelli
Testi per consultazione:
- G. K. Vemulapalli, Chimica fisica, Edises.
- McQuarrie D. A.; Simon J. D., Chimica fisica. Un approccio molecolare, Zanichelli.
Versione inglese dello stesso.
(N.B. Questo testo non è più in catalogo. Lo studente ne può trovare copie nella biblioteca chimica).- Lucidi presentati a lezione.
Textbooks:
- P. Atkins & J. De Paula, Physical Chemistry, Oxford
Other textbooks:
- G. K. Vemulapalli, Physical Chemistry, Edises.
- D. A. McQuarrie; J. D. Simon, Physical Chemistry. A molecular approach, USB.
(Note: This text is not publlished anymore. Students can find copies of it in the chemistry library.- Slides presented in class.
- Oggetto:
Note
Frequenza non obbligatoria, ma fortemente raccomandata.
Gli/le studenti/esse con DSA o disabilità, sono pregati di prendere visione delle modalità di supporto (https://www.unito.it
/servizi/lo-studio/studenti-e- studentesse-con-disabilita) open_in_newe di accoglienza (https://www.unito.it/accoglie nza-studenti-con-disabilita-e- dsaopen_in_new) di Ateneo, ed in particolare delle procedure necessarie per il supporto in sede d’esame (https://www.unito.it/servizi/ lo-studio/studenti-e-studentes se-con-disturbi-specifici-di- apprendimento-dsa/supportoopen_in_new) Attendance: not required, but strongly recommended.
Students with specific learning disabilities (SLD) or disabilities are requested to review the support (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disabilita) and reception (https://www.unito.it/accoglienza-studenti-con-disabilita-e-dsa) procedures of the University, and in particular the procedures necessary for support during exams (https://www.unito.it/servizi/lo-studio/studenti-e-studentesse-con-disturbi-specifici-di-apprendimento-dsa/supporto)."
- Registrazione
- Chiusa
- Apertura registrazione
- 01/03/2020 alle ore 00:00
- Chiusura registrazione
- 31/12/2022 alle ore 23:55
- Oggetto: